JP2016524438A

JP2016524438A - 熱電デバイス

Info

Publication number: JP2016524438A
Application number: JP2016513147A
Authority: JP
Inventors: エマニュエルピー．ガウザー、; ユーリーヴェルニコフスキー、
Original assignee: バーングリーンパワーソリューションズ，エルエルシー
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2016-08-12
Also published as: CA2910958A1

Abstract

少なくとも一つの第１熱交換部材を含む熱電デバイスである。第１熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には活性材料の薄膜が堆積される。活性材料は、頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含む。活性材料の薄膜には拡散防止コーティングが堆積される。拡散防止コーティングには連結層が堆積される。第１熱交換部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成される。少なくとも一つの第２熱交換部材が、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には連結層が堆積される。第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成される。第１及び第２熱交換部材は連結層において互いに接続され、当該第１及び第２熱交換部材間に温度差がもたらされる。

Description

本装置は一般に熱電デバイスの分野に関し、詳しくは、電流を発生させる熱電デバイスに関する。

関連出願の相互参照
本願は、２０１３年５月８日出願の米国仮特許出願第６１／８２０，７６５号、２０１３年７月１１日出願の米国仮特許出願第６１／８４５，２４９号、及び２０１４年１月１４日出願の米国仮特許出願第６１／９２７，２６８号の優先権を主張する。これらはすべて、ここに参照として組み入れられる。

熱電効果（ＴＥ）は、温度差から電圧への及び電圧から温度差への直接変換である。熱電デバイスは、その各側面に異なる温度が与えられると電圧をもたらす。逆に、当該デバイスは、電圧が適用されると温度差をもたらす。この効果は、例えば、発電、温度測定、及び物体の加熱又は冷却に使用することができる。

熱状態から電気状態へのエネルギー変換（熱電現象）は、ゼーベック効果、ペルチェ効果及びトムソン効果の点から記載される。トムソン効果は、伝導体において、当該伝導体の両端が異なる温度にありかつ電流が流れるときに生じる。Ｉ^２Ｒ加熱とは異なる加熱が生成され、この差異は、当該電流の大きさ及び方向、温度、並びに材料に依存する。ペルチェ効果は、２つの異なる材料の接合部において、両者間を電流が流れるときに生じる等温熱交換を記載する。熱の進展速度は、ジュール又はＩ^２Ｒ加熱よりも大きいか又は小さく、この差異は、電流の方向及び大きさ、温度、及び当該接合を形成する２つの材料に依存する。ゼーベック効果は、回路ループまわりのペルチェ効果及びトムソン効果の総和とみなすことができる。

ペルチェ効果は、電子の平均エネルギーが材料ごとに異なるという事実によって引き起こされる。すなわち、電子又は正孔のような荷電キャリアが一材料から他材料へと横切るとき、当該荷電キャリアは、周囲の格子と熱交換をすることによって当該エネルギー差を補償する。接合部を横切る所与の電流Ｉに対して交換される熱量は、ペルチェ係数によって決定される。ペルチェ係数は、熱が電子によって輸送されると負となり、正孔によって輸送されると正となる。

すなわち、半導体材料が熱源と吸熱体との間に置かれると、当該半導体を通る好ましい電流によって、熱の当該熱源からの抽出及び当該吸熱体への堆積が引き起こされる。これらの原理を適用することで、電子デバイスに典型的な固体冷却を与えるべく従来型システムが考え出されてきた。しかしながら、従来型のシステム及び熱電モジュールは、熱伝導性能が非効率的であった。

従来型熱電モジュールにおいては上述のように、Ｐ型及びＮ型伝導性を備えた２つの異なる要素が、整流銅板を介して相互接続されて２つのセラミック平板間に封止される。セラミック板は通常、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムから形成される。熱が一端へと送られかつ他端から取り除かれる。熱電モジュールにおいて熱電流は、かなりの厚さの絶縁層（異方性熱伝導率を有する酸化アルミニウム又は窒化アルミニウム系セラミック板）によって遮断される。当該層の熱伝導率は、電気伝導体よりも有意に低い。すなわち、絶縁層にもたらされる熱障壁により、熱が熱電半導体を継目なく通過することが防止される。さらに、この層は、隣接面と接触するので、これがさらに、当該接点の箇所において熱伝導率の損失をもたらす。

熱電モジュールは一般に、モジュールの腐食耐性を向上させるべく、イオン成分濃度が最小限の低活性ロジンフラックスを使用したはんだ付けによるバスバーとペレットとの接触部を含み得る。しかしながら、この設計は深刻な複雑性を有する。はんだ付けされた接触部は、剛性の機械的接続部となる。これはペレットを位置決めするのみならず、バスバー及びペレット間の熱電導体としても機能し、ユニット全体としてのモジュールの構造的強度を与える。現代のはんだ付けされたモジュールは、特に周期性のアプリケーションに対しては有意な作用面間温度差で動作するので、特にモジュール周縁が熱応力の対象となる。これにより、許容可能な動作温度差が低減され、モジュールの老化プロセス（ペレットの損傷及びひび割れ）が加速され、さらにペレット及びモジュール双方のユニット全体としてのサイズが制限される。

先行技術には、特許文献１〜５が教示する様々な熱電アプリケーションにおいて使用される様々な熱電モジュールが充実している。先行技術熱電モジュールのいくつかは、以下のペレットを含む。すなわち、Ｐ及びＮ型のテルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）結晶（ペレット）であり、その結晶サイズは、断面が０．３５×０．３５ｍｍ〜２．４×２．４ｍｍ、高さが０．３÷５ｍｍである。熱電冷却モジュールのための金属コーティングを備えた伝導性Ｐ及びＮ型のテルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）結晶（ペレット）であり、その結晶寸法（長さ、幅及び高さ）は、１．４×１．４×１．６ｍｍである。熱電発電機モジュールのための伝導性Ｐ及びＮ型テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）結晶（ペレット）であり、その結晶寸法は、断面積が５×５ｍｍである。Ｐ及びＮ型のテルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）結晶（ペレット）であり、その結晶寸法は、断面が０．８×０．８ｍｍ〜２．５×２．５ｍｍである。

現代の熱電モジュールにおいて使用されるこれらの小さなペレットは、スラブに由来する、のこぎり加工ワッシャによって大量生産可能である。ペレットの特定の矩形形状及びかなりの切削幅に起因して、熱電材料の有意な部分が最終的には廃棄される。熱電モジュールの設計、技術的特徴及び動作条件の解析に基づくと、ペレットは、テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）系熱電材料の構造的特性並びにペレットに適用される圧縮力及び引っ張り力ゆえに、モジュール設計におけるリンクが「最も弱い」。

通常の熱電材料の解析によれば、当該材料が、粒子間の厚さ及び長さの差異に基づく高度な構造的不均質性を有することが示される。このような差異はまた、サンプル板の様々な領域間にも観測される。粒子の破砕化の存在、及び場合によっては破砕片間の孔と同様に、粒子の結晶方位にもマクロ容積において認知可能な差異が存在する。これは、ひいては、半導体ペレットの機械的特徴の有意な広がりを説明する。熱電材料の構造的不均質性及びペレットの機械的特徴の広がりは、ペレットの動作安定性並びに物理的及び機械的特性にマイナスの影響を与える。その結果、熱電モジュールの信頼性が、有意に低下する。

現在のところ、様々な先行技術熱電デバイスすなわち熱電発電機及び熱ポンプの双方が存在する。典型的な熱電発電機は、少なくとも一つの熱電モジュールを含む。その高温側が液体によって加熱され、熱電導体が気相媒体によって冷却される。したがって、当業界では、先行技術の欠点を解消した改良型熱電デバイスが必要とされている。当業界では、小さな温度差で動作可能であり、簡潔かつ信頼性のある構造を含む熱電デバイスが必要とされている。当業界では、現行の先行技術設計と比べて高い変換効率を有する熱電デバイスが必要とされている。

特開平０６−１７４３２９号公報特開平１０−１２５９６２号公報特開平１０−０３０８６９号公報米国特許第７，６８７，７０５（Ｂ２）号明細書特表２０１０−５３０２０４号公報

一形態において開示されるのは、少なくとも一つの第１熱交換部材を含む熱電デバイスである。第１熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には、活性材料の薄膜が堆積される。活性材料は、頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含む。活性材料の薄膜には、拡散防止コーティングが堆積される。拡散防止コーティングには、連結層が堆積される。第１熱交換部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成される。少なくとも一つの第２熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には連結層が堆積される。第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成される。第１及び第２熱交換部材は連結層において互いに接続され、当該第１及び第２熱交換部材間には温度差がもたらされる。

他形態において開示されるのは、複数の第１熱交換部材を含む熱電デバイスである。複数の第１熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には、活性材料の薄膜が堆積される。活性材料は、頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含む。活性材料の薄膜には、拡散防止コーティングが堆積される。拡散防止コーティングには連結層が堆積される。第１部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成される。複数の第２熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には連結層が堆積される。第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成される。第１及び第２熱交換部材は連結層において互いに接続される。複数の第１及び第２伝導部材は柱状に連結され、活性層は、電気回路を画定する交互のＮ及びＰ型材料を有し、当該第１及び第２熱交換部材間に温度差がもたらされる。

さらなる形態において開示されるのは、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む複数の第１熱交換部材を含む熱電デバイスである。頂面及び底面には、活性材料の薄膜が堆積される。活性材料は、頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含む。活性材料の薄膜には、拡散防止コーティングが堆積される。拡散防止コーティングには連結層が堆積される。第１部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成される。複数の第２熱交換部材は、頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む。頂面及び底面には連結層が堆積される。第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成される。第１及び第２熱交換部材が連結層において互いに接続され、複数の第１及び第２伝導部材が柱状に連結される。活性層は、電気回路を画定する交互のＮ及びＰ型材料を有する。頂部、底部及び側部フレーム部材が、第１及び第２伝導部材から電気的に絶縁されて第１及び第２伝導部材の柱を収容する。高温及び低温マニホルドの少なくとも一つが、熱伝達液を供給するべく側部フレーム部材に取り付けられる。絶縁され又は絶縁材料に形成された接続ロッドが、頂部及び底部フレーム部材に取り付けられる。接続ロッドは、第１及び第２伝導部材に形成された接続ボアに受容される。第１及び第２熱交換部材間には温度差がもたらされる。

図１Ａ〜Ｃは、液／液熱交換を有する熱電デバイスの一実施例の斜視図及び断面図を含む。図２Ａ〜Ｂは、図１の実施形態の分解斜視図を含む。図１の実施形態の熱電デバイスの、熱流及び電流の流れを詳細に描く模式図を含む。図１の実施形態の代替的な立方アレイである。図５Ａ〜Ｂは、液／気熱交換を有する熱電デバイスの他実施形態の分解斜視図及び断面図を含む。図５Ｃ〜Ｄは、液／気熱交換を有する熱電デバイスの他実施形態の側面図及び正面図を含む。図６Ａ〜Ｂは、液／赤外線熱交換を有する熱電デバイスの他実施形態の分解斜視図並びに第１及び第２熱交換部材の図を含む。本発明の装置の熱流及び電力の、先行技術デバイスと比べたプロットである。先行技術デバイスの描画である。

図面を参照すると、少なくとも一つの第１熱交換部材１２を含む熱電デバイス１０が描かれる。第１熱交換部材１２は、頂面及び底面１６、１８が側面２０によって連結された伝導体１４を含む。一形態において、第１熱交換部材は、電気伝導及び熱伝導の双方を許容する伝導性金属から形成することができる。一形態において、第１熱交換部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成することができる。他の適切な金属は、ニッケル合金、スズ及び青銅、並びに高い電気伝導率及び熱伝導率を有する他の金属を含む。

頂面及び底面１６、１８には、活性材料２４の薄膜が堆積される。活性材料２４は、頂面及び底面１６、１８に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含む。活性材料２４は、４〜８ミクロンの厚さであり、利用する適用方法に基づいて厚くなり得る。一形態において、活性材料２４は、第１熱交換部材１２における熱流に沿って配向された結晶構造を有する多結晶熱電材料とすることができる。活性材料２４は、真空蒸着プロセスによって適用することができる。真空蒸着プロセスは、第１熱交換部材１２の伝導体１４に活性材料２４を直接適用する。活性材料２４は、テルル化ビスマス又は他の適切な熱電材料から形成することができる。Ｎ型材料は、セレンがドープされたテルル化ビスマスを含み、Ｐ型材料は、アンチモンがドープされたテルル化ビスマスを含み得る。

活性材料２４の薄膜には拡散防止コーティング２６が堆積される。拡散防止コーティング２６は、活性材料２４の劣化を防止する。一形態において、拡散防止コーティング２６は、アルミニウム、金又はニッケルから形成され、２〜４ミクロンの厚さとなり得る。拡散防止コーティング２６は、真空蒸着プロセスによって適用することができる。高易動性かつ活性のイオンを含まない他の適切な金属も利用することができる。例えば、金属銅又は鉛は易動性イオンを含むので、拡散防止層には適さない。他の易動性材料もまた、問題がある。

拡散防止コーティング２６には連結層２８が堆積される。連結層２８は、様々なコンポーネントを接続するべく、はんだ３０及びフラックス３２を含み得る。連結層２８は、真空蒸着プロセスによって適用することができる。適切なはんだ材料は、様々なコンポーネントが連結されるときの均一な流れ及び結合を確実にするスズはんだ及び妥当なフラックス材料を含む。連結層２８は、２〜４ミクロンの厚さとなり得る。連結層はまた、当該材料を堆積させるべく利用される方法に基づいて厚くなり得る。

第１熱交換部材１２の伝導体１４には、熱伝達液を受容する熱伝達経路３４が形成される。経路３４は、所望の温度差をもたらすべく第１熱交換部材１２内の高温又は低温熱交換液いずれかの輸送を許容する。一形態において、経路３４は、伝導体１４に形成された入口１３及び出口１５を含む。入口１３及び出口１５を接続する輸送経路１７が熱交換液への熱エネルギー輸送を許容する。

少なくとも一つの第２熱交換部材３６は、頂面及び底面４０、４２が側面４４によって連結された伝導体３８を含む。頂面及び底面４０、４２には連結層２８が堆積される。連結層２８は、第１熱交換部材１２に関して上述した同様の材料を含み得る。

第２部材３６の伝導体３８には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面４６が形成される。第２熱交換部材３６の様々な実施形態が以下に詳述される。第１及び第２熱交換部材１２、３６は連結層２８において互いに接続され、第１及び第２熱交換部材１２、３６間に温度差がもたらされる。

活性材料２４が、限られた熱障壁を備えた第２熱交換部材２６と直接接触することによって、各活性層２４を通る熱流が増加する。この配列により、高温及び低温活性材料２４間に摂氏５度以上のような小さな温度差が存在する場合でも効率的に動作可能な熱電デバイス１０が得られる。第１及び第２熱交換部材１２、３６は、第１及び第２熱交換部材１２、３６それぞれの内部にある一熱交換路を呈する一列に整列される。

本装置の利点は、互いに隣接する複数の第１及び第２熱交換部材１２、３６を含んで第１及び第２熱交換部材１２、３６間には複数の活性層２４が挟み込まれた改良型熱電デバイス又はパワーラジエータを与えることにある。本装置のもう一つの利点は、先行技術デバイスの一体的な熱電ハウジングとは異なり、任意の有意な熱障壁を回避しての熱電半導体を通る熱輸送により効率を増加させるべく互いに相互接続された多重熱電導体の設計を呈する改良型熱電デバイスを与えることにある。

図１〜４を参照すると、熱電デバイス１０の一実施形態が示される。描かれた実施形態において、複数の第１及び第２熱交換部材１２、３６が連結されて一の柱とされる。活性材料２４には、交互のＮ及びＰ型材料が第１熱交換部材１２の頂面及び底面１６、１８に適用され、電気回路が画定される。第１熱交換部材１２の伝導体１４には、熱伝達液を受容する熱伝達経路３４が形成される。経路３４は、所望の温度差をもたらすべく第１熱交換部材１２内の高温又は低温熱交換液いずれかの輸送を許容する。一形態において、経路３４は、伝導体１４に形成された入口１３及び出口１５を含む。入口１３及び出口１５を接続する輸送経路１７が熱交換液への熱エネルギー輸送を許容する。描かれた実施形態は、一アレイを画定する第１及び第２熱交換部材１２、３６の複数の柱を含む。このアプリケーションに基づいて、様々な数の柱を利用することができる。図１〜３の描かれた実施形態において、矩形パターンに配列された４つの柱が与えられる。代替的に、柱は、図４に示されるように、１６の柱を備えた正方形構成に配列することもできる。様々な数の柱を、異なるパターンで配列することができる。一形態において、隣接する柱が、直列に接続されたＮ及びＰ型活性材料２４の逆順を有し得る。

第２熱交換部材３６は、第１熱交換部材１２と同じ構造を有するが、活性材料２４及び拡散防止層２６が存在しない。描かれた実施形態は液／液熱交換器を画定する。

第１及び第２熱交換部材１２、３６の柱は、ハウジング４６に受容され得る。ハウジング４６は、第１及び第２伝導部材１２、３６の柱を収容する頂部４８、底部５０及び側部５２フレーム部材を含む。熱電デバイス１０はさらに、電流を通過させるための外部接点５４及び接続ブリッジ５６を含む。高温及び低温マニホルド５８、６０の少なくとも一つが、熱伝達液を供給するべく側部フレーム部材５２に取り付けられる。図１〜４の描かれた実施形態には２つが示される。高温及び低温マニホルド５８、６０は、適切な管６２を介して第１及び第２熱交換部材１２、３６に流体的に結合される。高温及び低温マニホルド５８、６０は、第１及び第２熱交換部材１２、３６のいずれかに接続することができる。図１〜４の描かれた実施形態において、高温マニホルド５８が第１熱交換部材１２に結合され、低温マニホルド６０が第２熱交換部材３６に結合される。

熱電デバイス１０は、頂部及び底部フレーム部材４８、５０に取り付けられた接続ロッド６４を含み得る。接続ロッド６４は、電気絶縁材料から形成され又は絶縁コーティングを有し、第１及び第２熱交換部材１２、３６に形成された接続ボア６６に受容されて第１及び第２熱交換部材１２、３６の位置を保持する。

複数群に組み付けられる場合、第１及び第２熱交換部材１２、３６並びに活性層２４は、電気伝導ブリッジ５６を介して接続されて連続的な回路となり、隣接する群における電流の方向が、図３に例示されるように互いに対向するように整列される。高温及び低温マニホルド５８、６０の熱伝達流体が、矢印に示されるように第１及び第２熱交換部材１２、３６を横切って移動する。熱エネルギーは、第１及び第２熱交換部材１２、３６間を矢印に示されるように移動して温度差をもたらす。

図５を参照すると、熱電デバイス１０の他実施形態が示される。第１熱交換部材１２は、図１〜３の実施形態に関して述べたものと同じである。上述のように、活性材料２４は、第１熱交換部材１２に直接適用される多結晶薄膜とすることができる。活性材料２４は、様々なパターン、例えば交差帯パターン、円形、正方形、矩形又は他のパターンで適用することができる。

第２部材３６の伝導体３８は、熱伝達面４６が形成されて熱伝達媒体を受容する。第１及び第２熱交換部材１２、３６は連結層２８において互いに接続され、第１及び第２熱交換部材１２、３６間に温度差がもたらされる。

第２熱交換部材３６は、頂面及び底面４０、４２を介して連結された複数の分離壁６８を含む。分離壁６８は、その間に空気経路７０を画定する。一形態において、第２熱交換部材３６は、当該熱交換部材を横切るように空気を移動させるファン又は他のデバイス７２に関連付けられる。一形態において、第２熱交換部材３６は、空気流の方向に垂直に位置決めされた２つの平行な頂面及び底面４０、４２を備えた押し出し体を呈する。

図５の描かれた実施形態は、液／気熱交換器又はパワーラジエータを画定する。描かれた実施形態は、一アレイを画定する第１及び第２熱交換部材１２、３６の複数の柱を含む。このアプリケーションに基づいて、様々な数の柱を利用することができる。図５の描かれた実施形態において、６つの柱が矩形パターンに配列される。様々な数の柱を、異なるパターンで配列することができる。一形態において、隣接する柱が、直列に接続されたＮ及びＰ型活性材料２４の逆順を有し得る。低温又は高温熱交換流体のいずれかを、第１又は第２熱交換部材１２、３６のいずれかに与えることができる。低温又は高温マニホルド５８、６０が所望の流体を第１熱交換部材１２に供給し、第２熱交換部材３６は、空気又は蒸気のような高温又は低温な気体を受容することができる。

第１及び第２熱交換部材１２、３６の柱は、頂部４８、底部５０及び側部５２フレーム部材を含むハウジング４６に受容される。ハウジング４６は第１及び第２熱交換部材１２、３６を収容する。熱電デバイスはさらに、電流を通過させるための外部接点５４及び接続ブリッジ５６を含む。高温及び低温マニホルド５８、６０の少なくとも一つが、熱伝達液を供給するべく側部フレーム部材５２に取り付けられる。高温又は低温マニホルド５８、６０は、電気的に絶縁された適切な管６２を介して第１熱交換部材１２に流体的に結合される。

熱電デバイス１０は、頂部及び底部フレーム部材４８、５０に取り付けられた接続ロッド６４を含み得る。接続ロッド６４は、絶縁材料から形成し又は絶縁コーティングを有することができ、第１及び第２熱交換部材１２、３６の位置を保持するべく第１及び第２熱交換部材１２、３６に形成された接続ボア６６に受容される。

一形態において、第２熱交換部材３６は、空気又は気体のような高温な熱搬送体との直接的な熱交換を介して熱を受容するべく位置決めされ、熱を活性層２４へと輸送する。第１熱交換部材１２は、活性層２４からの熱を受容した後、当該熱を、低温な熱搬送体との直接的な熱交換を介して通過させる。高温な熱搬送体は、蒸気状媒体によって与えることができる。低温な熱搬送体は、冷却された液体として与えることができる。上述のように、高温及び低温輸送は反転可能である。

図６を参照すると、熱電デバイス１０の他実施形態が示される。第１熱交換部材１２は、図１〜３の実施形態に関して述べたものと同じである。上述のように、活性材料２４は、第１熱交換部材に直接適用された多結晶薄膜とすることができる。活性材料２４は、様々なパターン、例えば交差帯パターン、円形、正方形、矩形又は他のパターンで適用することができる。

第２部材３６の伝導体３８には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面４６が形成される。第１及び第２熱交換部材１２、３６は連結層２８において互いに接続され、第１及び第２熱交換部材１２、３６間には温度差がもたらされる。

第２熱交換部材３６は赤外線伝導側面７４を含む。側面７４には、赤外線放射の吸収を向上させるコーティングを形成することができる。図６の描かれた実施形態は液／赤外線熱交換器を画定する。描かれた実施形態は、一アレイを画定する第１及び第２熱交換部材１２、３６の複数の柱を含む。このアプリケーションに基づいて、様々な数の柱を利用することができる。図６の描かれた実施形態において、８つの柱が矩形パターンに配列される。様々な数の柱を、異なるパターンに配列することができる。一形態において、隣接する柱は、直列に接続されたＮ及びＰ型活性材料の逆順を有し得る。

描かれた実施形態において、第１熱交換部材１２は低温マニホルド６０に結合され、第２熱交換部材３６が赤外線放射による熱を与える。

第１及び第２熱交換部材１２、３６の柱は、ハウジング４６に受容され得る。ハウジング４６は、第１及び第２熱交換部材１２、３６の柱を収容する頂部４８、底部５０及び側部５２フレーム部材を含む。熱電デバイス１０はさらに、電流を通過させるための外部接点５４及び接続ブリッジ５６を含む。高温及び低温マニホルド５８、６０の少なくとも一つが、熱伝達液を供給するべく側部フレーム部材５２に取り付けられる。高温又は低温マニホルド５８、６０は、電気的に絶縁された適切な管６２を介して第１熱交換部材１２に流体的に結合される。

接続ロッド６４は、絶縁材料から形成され又は絶縁コーティングを有することができ、第１及び第２熱交換部材１２、３６の位置を保持するべく第１及び第２熱交換部材１２、３６に形成された接続ボア６６に受容される。

活性層２４は、ワッシャの形状に形成することができる。活性層２４は、非円形構成を含むこともできる。活性層２４は、例えばＯリング７８のような弾性要素によって、活性層２４を保護するべく取り囲むことができる。保護要素７８は、熱交換部材１２、３６の頂面及び底面に画定された凹み又は溝に位置決めすることができる。第２熱交換部材３６は、ニッケル合金、青銅及びスズのような任意のタイプの熱及び電気伝導材料並びに他の材料から形成することができる。

実施例

図７を参照すると、本発明のデバイスに対する熱流及び電力のプロットが、図８に示されるもののような先行技術デバイスと比べて示される。プロットは、熱電材料のサンプルにおける電子部分の検出をターゲットにした実験から集められたデータにより一般化された。サンプルは以下のとおりである。すなわち、厚さ６ミクロン、表面積３平方センチメートルの熱電材料（テルル化ビスマス）の多結晶薄膜が、アルミニウム合金（６ｍｍ厚）板上に直接適用され、２〜４ミクロン厚のアルミニウム拡散防止層によりコーティングされ、さらに、はんだ付けによって６ｍｍ厚アルミニウム合金板の他片に連結された。

測定可能な正確な温度を与えるべく電気加熱器が利用された。高温空気の流れが垂直上方向に適用された。伝達された電力は、上側板の厚さ方向の温度勾配を測定することによって計算された。冷蔵庫の循環媒体及び電力測定を備えたサーモスタットによる液体（水）が、放熱を行った。測定結果は、従来型の％値で図７に示される。

サンプルに対する温度増加により入熱流を連続的に増加させてサンプルの温度差及び伝導熱電力が測定された。当該結晶の結晶線熱伝導率のプロットが、頂部板と底部板との電気的接続によって得られた。当該接続は、電気抵抗を最小限にするべく太い（断面１５平方ｍｍ）銅ケーブルを介してなされた。ケーブルは、一つのＴＥ層の電流発生を測定するべく与えられた。この発生電力が、「短絡」条件において測定された。接続が解除されたケーブルによる測定時に、合計熱伝導率のための曲線が得られた。サンプルの熱伝導率の測定された読みと合計熱伝導率との差が計算されかつプロットされた。

テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）及び同型の他の半導体において、ゼーベック効果により、自己熱流の形態において電流が開始する。これは、当該半導体の熱伝導電子構造の実現である。銅、アルミニウムのような金属においてのような高い電気伝導率及び熱伝導率の存在により、熱交換部材用の材料が得られる。

熱伝導率及び電気伝導率は一般に、同期的に変化（比例的に減少及び増加）する。すなわち、熱伝導率は、荷電キャリア又は電子に起因して電気伝導率に影響を与える。この理由により、電気絶縁材料の中で最善の熱伝導体は、無荷電キャリアを有しないので、良好な電気伝導体よりも２０〜３０倍小さい熱伝導率を有する。

熱電デバイスの有効な実装には、高熱流束を、比較的低い含有量の易動性荷電キャリア、すなわち当該物質内の電子又は正孔（ただし特定電流抵抗は低い）と組み合わせることが望ましい。当該物質は、結晶構造が熱流に沿ってかつ電気駆動力に沿って配向されるので、荷電キャリアに対する障害の数が少数となる。利用可能な易動性荷電キャリアの熱伝達を最大にするべく、熱流は、残りの「余剰」キャリアが起電力に抗して進行して荷電キャリアの移動を相殺することのないように高い強度を有し得る。描かれた図７において、この特性は、飽和と示される。

当該実施例において、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換のためのデバイスを構築するべく、組織化Ｎ型及びＰ型伝導性のための添加物を備えたＢｉ_２Ｔｅ_３系テルル化ビスマス材料が利用された。

図７に示されるように、熱流飽和の最適条件は９３〜９５％とみなし得る。アンチモンがドープされたＰ型（ＢｉＳｂ）_２Ｔｅ_３を、液体状態からの熱処理プロセス（ＳＧＳ）によって得られた圧粉合金として与えることができる。これは以下の特性を含む。すなわち、α＝１６０μＶ／Ｋ、ρ＝６×１０^−４Ωｃｍ、κ＝（１．４０÷１．４５）×１０^−２Ｗ／ｃｍ・Ｋ、Ｚ＝（２．９６÷３．０）×１０^−３Ｋ^−１である。

セレンがドープされたＮ型（ＢｉＳе）_２Ｔｅ_３を、液体状態からの熱処理プロセス（ＳＧＳ）によって得られた圧粉合金として与えることができる。これは以下の特性を含む。すなわち、α＝１７４μＶ／Ｋ、ρ＝１２×１０^−４Ωｃｍ、κ＝（１．１５÷１．２）×１０^−２Ｗ／ｃｍ・Ｋ、Ｚ＝（２．１÷２．１９）×１０^−３Ｋ^−１である。

この熱電材料に対する最適な熱流は、約２０Ｗ／ｃｍ^２であった。これは、層厚６ミクロンの熱電材料による摂氏５度の温度差に対して達成可能である。

この特性は、最大効率による熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換のためのデバイスを構築するには以下の特徴が問題とされ得ることを示す。すなわち、熱電材料を厚さ４〜８ｍｍの薄膜の形態において適用し、当該薄膜を通る熱流が、当該膜の必要面積を選択することによって、特定熱電材料に対する熱流飽和の９３〜９５％のレベルを達成することである。

真空プラズマ蒸着プロセスを使用して、６０６１型のようなアルミニウム合金から作られた電気伝導及び熱伝導基材に多結晶薄膜を直接堆積させて拡散防止層及び連結層を形成することにより、所望の特性の達成が可能となる。本発明の熱電デバイスは、従来型先行技術熱電デバイスよりもかなり高い１０％というオーダーでの熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を可能にする。

一形態において、動作温度差、物体の物理的状態、温度及び特性、熱源、物質の物理的状態、温度及び特性に応じて活性層２４の数を変えることができる。

図８を参照すると、先行技術設計のＴＥモジュールが、全世界の製造業者にとっての標準であり、大量に製造されている。この設計は典型的に、１００〜３００対のＮ及びＰ型間の熱電遷移を有する。熱流方向に沿って絶縁体の２つの層が存在する（これは、適切な電流を確保するべく必要となる）。先行技術デバイスは、セラミックスのような熱伝導材料から作られる。実際のところ、厚さは約０．６ｍｍである。上述のように、最善の場合、これらの絶縁体の伝導率は１０〜２０Ｗ／ｍｍＫに達する。これは、例えば、熱電材料の熱伝導率をわずかに超えるのみの銅よりも２０倍小さい。図は、かかる熱電モジュールに適用された勾配を条件付きで示す。当該絶縁体の低い熱伝導率ゆえに、実際に熱電素子に適用される温度差（有効なＴ）は、厚さＨ_熱電／２Ｈ_絶縁の比で適用されるものよりも低下する。これは、当該モジュールにおいて熱電素子の厚さを低下させる理由が存在しないことを意味する。有効な温度差がゼロに近いと、有意なゼーベック効果は存在しなくなる。

先行技術の熱電素子の厚さ低減にもかかわらず、絶縁体は、１００℃未満の温度差に対する飽和に近い熱流を達成することができないままである。この状態では、熱流束は飽和点の約３０〜３５％である。

図７は、飽和の約３５％の熱流束が、本発明が与える最適面積の１０％に対して約３％の熱電変換効率を与えることを示す。本発明の熱電デバイスは、５℃以上の温度差による１０％までの熱変換効率をもたらし得る熱エネルギーから電気エネルギーへの熱電変換器設計に対して根本的に異なるアプローチを与える。

本発明の熱電デバイスは、排熱エネルギーを再生する発電機として利用することができる。これは、Ｂｉ_２Ｔｅ_３のような熱電物質の多結晶薄膜の活性層に起因して小さな動作温度差により有効に発電する。本発明のデバイスは、活性層への及び活性層からの最小限の損失での良好な熱交換を与える。本発明のデバイスのモジュラー構造により、異なるアプリケーション、構成、サイズ及び強度に対して様々なデバイスを構築する機会を得ることができる。本発明のデバイスは、冷蔵、空調デバイス及びすべてのタイプの熱ポンプにおける電力回収、車、船、化学及び他の熱処理事業を含む広範な構造物用の冷却ラジエータにおける電力回収、発電所の残留熱回収、地熱発電所の建設、並びに、高効率加熱器及び太陽光発電所の建設において使用を見出すことができる。

本装置が代表的な実施形態を参照して記載されたが、当業者であれば、本装置の範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得ること、及び均等物をその要素と置換できることがわかる。加えて、本装置の教示に対し、その本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料に適合するべく多くの修正を加えることができる。したがって、本装置は、本装置を実施するべく考慮される最善の態様として開示された特定の実施形態に限られないが、添付の特許請求の範囲内に収まるすべての実施形態を含むことが意図される。

Claims

熱電デバイスであって、
活性材料の薄膜が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む少なくとも一つの第１熱交換部材と、
連結層が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む少なくとも一つの第２熱交換部材と
を含み、
前記活性材料は、前記頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含み、
前記活性材料の薄膜には、連結層が堆積された拡散防止コーティングが堆積され、
前記第１部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成され、
前記第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成され、
前記第１及び第２熱交換部材は前記連結層において互いに接続され、
前記第１及び第２熱交換部材間に温度差がもたらされる熱電デバイス。
前記第１熱交換部材の熱伝達経路は入口及び出口を含み、
前記入口及び出口は、前記伝導体に形成されて輸送経路により連結される請求項１の熱電デバイス。
前記活性材料は、４〜８ミクロンの厚さであり、前記伝導体に真空蒸着される請求項１の熱電デバイス。
前記活性材料は、熱流に沿って配向された結晶構造を有する多結晶熱電材料を含む請求項１の熱電デバイス。
前記活性材料はテルル化ビスマスを含む請求項１の熱電デバイス。
前記テルル化ビスマスは、鉛がドープされたＰ型を形成するテルル化ビスマスを含み、
前記テルル化ビスマスは、セレンがドープされたＮ型材料を形成するテルル化ビスマスを含む請求項１の熱電デバイス。
前記拡散防止コーティングは、アルミニウム、金及びニッケルからなる群から選択された材料から形成される請求項１の熱電デバイス。
前記連結層は、
スズ材料から形成されかつ２〜４ミクロンの厚さで適用されるはんだと、
フラックスと
を含む請求項１の熱電デバイス。
前記熱電デバイスは、柱状に連結された複数の第１及び第２伝導部材を含み、
前記活性層は、電気回路を画定する交互のＮ及びＰ型材料を有する請求項１の熱電デバイス。
第１及び第２伝導部材の複数の柱がアレイを画定する請求項９の熱電デバイス。
隣接する柱が、Ｎ及びＰ型熱電材料の逆順を有して直列に接続される請求項１０の熱電デバイス。
前記アレイの複数の柱は、矩形又は正方形パターンに接続される請求項１０の熱電デバイス。
前記第２熱交換部材は、頂面及び底面によって連結された複数の分離壁を含み、
前記分離壁はその間に空気経路を画定する請求項１の熱電デバイス。
前記第２熱交換部材は赤外線接続側面を含む請求項１の熱電デバイス。
前記デバイスはさらに、電流を通過させるための外部接点及び接続ブリッジを含む請求項９の熱電デバイス。
第１及び第２伝導部材の柱を収容する頂部、底部及び側部フレーム部材をさらに含む請求項９の熱電デバイス。
前記熱伝達液を供給するべく前記側部フレーム部材に取り付けられた少なくとも一つの高温及び低温マニホルドを含む請求項１６の熱電デバイス。
電気的に絶縁された接続ロッドを含み、
前記接続ロッドは、前記頂部及び底部フレーム部材に取り付けられ、
前記接続ロッドは、前記第１及び第２伝導部材に形成された接続ボアに受容される請求項１６の熱電デバイス。
前記温度差は摂氏５度以上である請求項１の熱電デバイス
熱エネルギーから電気エネルギーへの変換器効率が５％〜１０％である請求項１の熱電デバイス。
熱電デバイスであって、
活性材料の薄膜が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む複数の第１熱交換部材と、
連結層が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む複数の第２熱交換部材と
を含み、
前記活性材料は、前記頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含み、
前記活性材料の薄膜には、連結層が堆積された拡散防止コーティングが堆積され、
前記第１部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成され、
前記第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成され、
前記第１及び第２熱交換部材は前記連結層において互いに接続され、
前記複数の第１及び第２伝導部材は柱状に連結され、
前記活性層は、電気回路を画定する交互のＮ及びＰ型材料を有し、
前記第１及び第２熱交換部材間に温度差がもたらされる熱電デバイス。
前記第２熱交換部材は、頂面及び底面によって連結された複数の分離壁を含み、
前記分離壁はその間に空気経路を画定し、
前記第１及び第２熱交換部材は液／気熱交換デバイスを画定する請求項２１の熱電デバイス。
前記第２熱交換部材は、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成された伝導体を含み、
前記第１及び第２熱交換部材は液／液熱交換デバイスを画定する請求項２１の熱電デバイス。
前記第２熱交換部材は赤外線伝導側面を含み、
前記第１及び第２熱交換部材は液／固熱交換デバイスを画定する請求項２１の熱電デバイス。
熱電デバイスであって、
活性材料の薄膜が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む複数の第１熱交換部材と、
連結層が堆積された頂面及び底面が側面によって連結された伝導体を含む複数の第２熱交換部材と
を含み、
前記活性材料は、前記頂面及び底面に対向配置されたＰ型及びＮ型熱電材料の一方を含み、
前記活性材料の薄膜には、連結層が堆積された拡散防止コーティングが堆積され、
前記第１部材の伝導体には、熱伝達液を受容する熱伝達経路が形成され、
前記第２部材の伝導体には、熱伝達媒体を受容する熱伝達面が形成され、
前記第１及び第２熱交換部材は前記連結層において互いに接続され、
前記複数の第１及び第２伝導部材は柱状に連結され、
前記活性層は、電気回路を画定する交互のＮ及びＰ型材料を有し、
前記第１及び第２伝導部材の柱は頂部、底部及び側部フレーム部材に収容され、
高温及び低温マニホルドの少なくとも一つが、前記熱伝達液を供給するべく前記側部フレーム部材に取り付けられ、
電気的に絶縁された接続ロッドが、前記頂部及び底部フレーム部材に取り付けられ、
前記接続ロッドは、前記第１及び第２伝導部材に形成された接続ボアに受容され、
前記第１及び第２熱交換部材間に温度差がもたらされる熱電デバイス。